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第1章 磁路电动机电动机 发电机发电机 磁场磁场本章要求：本章要求：掌握铁磁材料的性质及其磁化曲线掌握铁磁材料的性质及其磁化曲线.熟练掌握电磁感应定律和电磁力定律熟练掌握电磁感应定律和电磁力定律;掌握研究磁路的几个基本定律掌握研究磁路的几个基本定律;掌握描述磁路的基本物理量掌握描述磁路的基本物理量;掌握磁路的简单计算掌握磁路的简单计算;上一张上一张下一张下一张1.1.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量1.磁感应强度磁感应强度 B电流电流用磁力线描述用磁力线描述磁场磁场描述磁场中某点强弱和方向描述磁场中某点强弱和方向的物理量，是一个矢量。的物理量，是一个矢量。定义式：定义式：上一张上一张下一张下一张磁力线是闭合的，且围绕着磁力线是闭合的，且围绕着产生它的电流，并满足右手产生它的电流，并满足右手螺旋定则。螺旋定则。单位：单位：T磁场内各点的磁感应强度大小相等，方向也相同，称为磁场内各点的磁感应强度大小相等，方向也相同，称为均匀均匀磁场。磁场。1.1 1.1 磁路的基本物理量及基本定律磁路的基本物理量及基本定律2.磁通磁通单位：单位：Wb穿过某一截面穿过某一截面S的磁力线总数或磁感应强度的磁力线总数或磁感应强度B的通量，即的通量，即均匀磁场，若均匀磁场，若B与与S相互垂直，则：相互垂直，则：上一张上一张下一张下一张或：或：磁通密度，单位磁通密度，单位:Wb/m2若若S的法线与的法线与B的方向之间夹角为的方向之间夹角为3.磁场强度磁场强度 H 表征磁场性质的另一基本物理量，是矢量。单位：表征磁场性质的另一基本物理量，是矢量。单位：A/m反映磁性材料的导磁能力反映磁性材料的导磁能力上一张上一张下一张下一张0=4107 H/m 真空中的磁导率真空中的磁导率:铁磁材料的磁导率铁磁材料的磁导率:即即各种矽钢片材料，各种矽钢片材料，对于铸钢，对于铸钢，H 与与 B 的区别的区别 H I，与介质的性质无关。，与介质的性质无关。B 与电流的大小和介质的性质均有关。与电流的大小和介质的性质均有关。上一张上一张下一张下一张1.1.2 磁路磁路的概念的概念上一张上一张下一张下一张磁力线经过的路径称为磁路。磁力线经过的路径称为磁路。电机空载磁路电机空载磁路主磁通：主磁通：绝大多数绝大多数在在铁心铁心中闭中闭合的磁通。合的磁通。漏磁通：漏磁通：在部分铁心和铁心周围的空间存在的少量在部分铁心和铁心周围的空间存在的少量分散的分散的磁通。磁通。NS励磁线圈励磁线圈：用以激励磁路中磁通的载流线圈用以激励磁路中磁通的载流线圈。励磁电流励磁电流：励磁线圈中的电流，有直流和交流之分励磁线圈中的电流，有直流和交流之分。l电生磁的基本定律电生磁的基本定律安培环路定律安培环路定律 l磁生电的基本定律磁生电的基本定律法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 l电磁力定律电磁力定律l磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律l磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律l磁路的基尔霍夫第二定律磁路的基尔霍夫第二定律上一张上一张下一张下一张1.1.3磁路的基本定律磁路的基本定律 磁场中沿任一闭合回路的磁场强度磁场中沿任一闭合回路的磁场强度H的线积分的线积分等于该闭合回路所包围的所有导体电流的代数等于该闭合回路所包围的所有导体电流的代数和，即有和，即有 1.电生磁的基本定律电生磁的基本定律安培环路定律安培环路定律F称为磁势，是磁场源，即磁场是由称为磁势，是磁场源，即磁场是由磁势（安匝数）产生的。磁势（安匝数）产生的。上一张上一张下一张下一张2.磁生电的基本定律磁生电的基本定律电磁感应定律电磁感应定律1）运动电势：）运动电势：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e。电势大小：电势大小：e=Blv。B:磁密；磁密；l：导体长度；：导体长度；v：导体与磁场的相对速度。：导体与磁场的相对速度。正方向：用右手定则判断。正方向：用右手定则判断。ev上一张上一张下一张下一张2）变压器电势：）变压器电势：线圈中的磁通变化时，线圈中会感应电势线圈中的磁通变化时，线圈中会感应电势e：感应电势感应电势e=d dt=d dt-N 电势电势e正方向：正方向：e 的正方向与的正方向与 正方向符合右正方向符合右手螺旋关系手螺旋关系I Ne上一张上一张下一张下一张楞次定律楞次定律3、毕、毕-萨电磁力定律萨电磁力定律 一个通电流的导体，在磁场中要受到力的作用，一个通电流的导体，在磁场中要受到力的作用，这个力叫电磁力。这个力叫电磁力。电磁力电磁力f=Bliif电磁力方向：左手定则判断电磁力方向：左手定则判断上一张上一张下一张下一张在旋转电机里，作用在转子载流导体上的电磁力将在旋转电机里，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩，即为电磁力矩。在电机进行使转子受到一个力矩，即为电磁力矩。在电机进行机电能量转换过程中起着重要作用。机电能量转换过程中起着重要作用。4.磁路欧姆定律磁路欧姆定律c Ac lc0A0l0+ui安培环路定律安培环路定律:Bc=AcHc=Bc c H dl=I=F 铁心中：铁心中：气隙中：气隙中：左边左边=H dl l=H dl=Hc lcH 0 l0=c Ac B0=A0H0=B0 0=0 A0 上一张上一张下一张下一张磁阻磁阻:=(RmcRm0)=Rm Rm=Rmc+Rm0lc c Ac=()l0 0 A0lc c Ac=l0 0 A0右边右边 =I=NI =F 因此因此 Rm=F =FRm 磁路欧姆定律磁路欧姆定律 磁动势磁动势 N I 一定时，一定时，因因 Rm0 的存在，使的存在，使 大大减小；大大减小；若要保持若要保持 一定，则需增大磁动势一定，则需增大磁动势 F。由于由于 c 0，因此因此 Rm0 Rmc。上一张上一张下一张下一张例例1-11-1 有一闭合铁心磁路，铁心的截面积有一闭合铁心磁路，铁心的截面积A=910-4m2,磁路的平均长度磁路的平均长度 l=0.3m，铁心的磁导率，铁心的磁导率Fe=50000，套装在铁心上的励磁绕组为套装在铁心上的励磁绕组为500匝。试求在铁心中产生匝。试求在铁心中产生1T的磁通密度时，需要多少励磁磁动势和励磁电流？的磁通密度时，需要多少励磁磁动势和励磁电流？解解 用安培环路定律求解如下用安培环路定律求解如下上一张上一张下一张下一张5、磁路的基尔霍夫定律、磁路的基尔霍夫定律（1）磁路的基尔霍夫第一定律）磁路的基尔霍夫第一定律或或上一张上一张下一张下一张（2）磁路的基尔霍夫）磁路的基尔霍夫第二第二定律定律上一张上一张下一张下一张磁路和电路有相似之处，却要注意有以下几点差别：磁路和电路有相似之处，却要注意有以下几点差别：1）电路中有电流）电路中有电流I 时，就有功率损耗；而在直流磁路时，就有功率损耗；而在直流磁路 中，维持一定磁通量，铁心中没有功率损耗。中，维持一定磁通量，铁心中没有功率损耗。2）电路中的电流全部在导线中流动；而在磁路中，总）电路中的电流全部在导线中流动；而在磁路中，总 有一部分漏磁通。有一部分漏磁通。3）电路中导体的电阻率在一定的温度下是恒定的；而磁）电路中导体的电阻率在一定的温度下是恒定的；而磁 路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所变化。路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所变化。4）对于线性电路，计算时可以用叠加原理；而在磁路）对于线性电路，计算时可以用叠加原理；而在磁路 中，中，B和和H之间的关系为非线性，因此计算时不可以之间的关系为非线性，因此计算时不可以 用叠加原理。用叠加原理。上一张上一张下一张下一张1.2 常用的铁磁材料及其特性常用的铁磁材料及其特性按磁导率分类：非磁性物质、磁性物质。按磁导率分类：非磁性物质、磁性物质。非磁性物质非磁性物质 0 上一张上一张下一张下一张 0 磁性物质磁性物质1.2.1 铁磁铁磁物质的磁化物质的磁化 铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，称为铁铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，称为铁磁物质的磁化。磁物质的磁化。磁性物质内部存在着很多很小的磁性物质内部存在着很多很小的“磁畴磁畴”。磁畴（磁化前）磁畴（磁化前）磁畴（磁化后）磁畴（磁化后）磁性物质的高导磁性被广泛应用于变压器磁性物质的高导磁性被广泛应用于变压器 和电机中。和电机中。上一张上一张下一张下一张 铸钢：铸钢：1 000 0 硅钢片：硅钢片：(6 000 7 000)0 玻莫合金：玻莫合金：比比 0 大几万倍。大几万倍。起始磁化曲线起始磁化曲线BHO1.2.2 磁磁化曲线和磁滞回线化曲线和磁滞回线 B=H（常数）常数）磁化曲线磁化曲线磁化曲线磁化曲线 abcdB=f(H)B=0Ha点称为跗点；拐弯点点称为跗点；拐弯点b称称为膝点；为膝点；c点为饱和点。点为饱和点。上一张上一张下一张下一张BHOHm Bm 剩剩磁磁 Hm 矫顽磁力矫顽磁力 Br Hc BmHcBr磁滞回线磁滞回线BHO基本磁化曲线基本磁化曲线上一张上一张下一张下一张 磁滞回线磁滞回线和基本磁化曲线和基本磁化曲线(1)硬磁材料硬磁材料 BH 曲线宽，曲线宽，Br 大、大、Hc 大。如钨钢、钴钢大。如钨钢、钴钢等用于制造永磁铁。等用于制造永磁铁。(2)软磁材料软磁材料 BH 曲线窄，曲线窄，Br 小、小、Hc 小。如硅钢片、铸小。如硅钢片、铸钢等用于制造变压器、电机等电器的铁心。钢等用于制造变压器、电机等电器的铁心。(3)矩磁物质矩磁物质 BH 曲线形状接近矩形，曲线形状接近矩形，Br 大、大、Hc 小。小。用于计算机中，作记忆单元。用于计算机中，作记忆单元。按磁滞回线的不同，磁性物质可分为按磁滞回线的不同，磁性物质可分为 上一张上一张下一张下一张 由于电机铁芯采用由于电机铁芯采用软磁材料软磁材料制成，其磁制成，其磁滞回线瘦窄，在进行磁路计算时，为了简化滞回线瘦窄，在进行磁路计算时，为了简化计算，不考虑磁滞现象，而用计算，不考虑磁滞现象，而用基本磁化曲线基本磁化曲线来表示来表示B与与H之间的关系，故通常所讲的铁磁之间的关系，故通常所讲的铁磁材料的磁化曲线是指基本磁化曲线材料的磁化曲线是指基本磁化曲线。上一张上一张下一张下一张(1)(1)磁滞损耗磁滞损耗 铁磁材料在交变的磁场中反复磁化，磁畴间相铁磁材料在交变的磁场中反复磁化，磁畴间相互摩擦，产生损耗，这种损耗称为磁滞损耗。磁滞互摩擦，产生损耗，这种损耗称为磁滞损耗。磁滞损耗与交变磁场的频率损耗与交变磁场的频率f f、铁芯的体积、铁芯的体积V V、磁滞回线、磁滞回线的面积成正比。磁滞损耗功率可用下式表示：的面积成正比。磁滞损耗功率可用下式表示：式中式中C Ch h磁滞损耗系数，它的大小取决于材料性质；对一磁滞损耗系数，它的大小取决于材料性质；对一般电工钢片般电工钢片n n=1.6=1.62.32.3；f f磁通交变频率；磁通交变频率；B Bm m磁通密磁通密度的最大值。度的最大值。1.2.3铁芯损耗铁芯损耗交流磁路中存在铁芯损耗，交流磁路中存在铁芯损耗，铁芯损耗铁芯损耗又分为又分为磁滞损耗磁滞损耗和和涡涡流损耗流损耗。上一张上一张下一张下一张涡流损耗功率可用下式表示：涡流损耗功率可用下式表示：式中式中钢片厚度钢片厚度,为减小损耗为减小损耗,电机和变压器的铁电机和变压器的铁心都用心都用(厚度为厚度为0.35-0.5mm)0.35-0.5mm)硅钢片叠成。硅钢片叠成。(2)(2)涡流损耗涡流损耗 铁芯是有阻值的，当磁通交变时，铁芯中就铁芯是有阻值的，当磁通交变时，铁芯中就会感应交变的电势，在导电的铁芯中就会产生环会感应交变的电势，在导电的铁芯中就会产生环流，这种电流在铁芯构成的回路与磁通相环链，流，这种电流在铁芯构成的回路与磁通相环链，故称涡流，涡流产生的损耗称为涡流损耗。故称涡流，涡流产生的损耗称为涡流损耗。上一张上一张下一张下一张(3)(3)铁芯损耗铁芯损耗铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗之合称为铁芯损耗，铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗之合称为铁芯损耗，即有：即有：对于一般的电工硅钢片，可以近似写成：对于一般的电工硅钢片，可以近似写成：铁心损耗与频率的铁心损耗与频率的1.31.3次方、磁通密度的平方和次方、磁通密度的平方和铁心重量成正比。铁心重量成正比。上一张上一张下一张下一张 铜损耗使线圈发热，铜损耗使线圈发热，铁损耗使铁心发热。铁损耗使铁心发热。减小铁损耗的方法：减小铁损耗的方法：使用软磁材料减小使用软磁材料减小Ph。增大铁心的电阻率，增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗减小涡流及其损耗。用很薄的硅钢片叠成铁心，用很薄的硅钢片叠成铁心，减小涡流及其损耗减小涡流及其损耗。涡流损耗涡流损耗 (a)(b)0.35mm0.30mm0.27mm0.22mm上一张上一张下一张下一张1.1.3 3 直流磁路的计算直流磁路的计算 磁路计算正问题磁路计算正问题给定磁通量，计算所需的励磁磁动势给定磁通量，计算所需的励磁磁动势磁路计算逆问题磁路计算逆问题给定励磁磁势，计算磁路内的磁通量给定励磁磁势，计算磁路内的磁通量磁路计算正问题的步骤：磁路计算正问题的步骤：1）将磁路按材料性质和不同截面尺寸分段；）将磁路按材料性质和不同截面尺寸分段；2）计算各段磁路的）计算各段磁路的有效有效截面积截面积Ak和平均长度和平均长度lk；3）计算各段磁路的平均磁通密度）计算各段磁路的平均磁通密度Bk，Bk=k/Ak；4）根据）根据Bk求出对应的求出对应的Hk；5）计算各段磁位降）计算各段磁位降Hklk，最后求出，最后求出 F=Hklk。磁路计算逆问题磁路计算逆问题因为磁路为非线性的，用试探法。因为磁路为非线性的，用试探法。上一张上一张下一张下一张一、简单串联磁路一、简单串联磁路例例1-21-2 铁心由铸钢和空气隙构成，截面积铁心由铸钢和空气隙构成，截面积AFe=0.0009m2，磁路平均长度磁路平均长度lFe=0.3m，气隙长度，气隙长度=510-4m，求该磁路求该磁路获得磁通量获得磁通量=0.0009Wb时所需的励磁磁动势。时所需的励磁磁动势。上一张上一张下一张下一张考虑气隙磁场的边缘效应，在计算气隙有效面积时，考虑气隙磁场的边缘效应，在计算气隙有效面积时，在长、款各增加一个在长、款各增加一个值。值。解解：铁心内磁通密度为铁心内磁通密度为从铸钢磁化曲线查得：与从铸钢磁化曲线查得：与BFe对应的对应的HFe=9102A/m空气隙中：空气隙中：铁心段的磁位降：铁心段的磁位降：所以，励磁磁势为所以，励磁磁势为 F=HFelFe+Hl=655A上一张上一张下一张下一张作业：作业：例例1-2 1-8 上一张上一张下一张下一张本章小结本章小结磁场的几个基本物理量；磁场的几个基本物理量；电磁学的几个基本定律：电磁感应定律，电磁力定电磁学的几个基本定律：电磁感应定律，电磁力定律，安培环路定律，磁路的欧姆定律以及磁路的基尔律，安培环路定律，磁路的欧姆定律以及磁路的基尔霍夫定律；霍夫定律；铁磁物质的磁性能铁磁物质的磁性能：磁化曲线与磁化曲线与铁损耗问题。铁损耗问题。